Was ist Wasserschlag?
Abbildung 1: Die Auswirkungen von Wasserschlägen können Rohre zum Bersten bringen.
Wasserschlag, technisch als hydraulischer Stoß bezeichnet, ist ein Rohrleitungsphänomen, das auftritt, wenn eine in Bewegung befindliche Flüssigkeit gezwungen wird, plötzlich anzuhalten oder ihre Richtung zu ändern. Sie tritt vor allem bei Flüssigkeiten wie Wasser auf, da sie inkompressibel ist, kann aber auch bei Gasen auftreten. Die plötzliche Änderung des Flüssigkeitsimpulses, typischerweise durch ein sich schließendes Ventil, verursacht einen Druckstoß, der eine Welle mit Schallgeschwindigkeit im Rohrleitungsnetz hin und her schickt.
Die Wirkung von Wasserschlag ist mit einem klopfenden Geräusch verbunden, das einige Male wiederholt werden kann, bevor der Druck nachlässt. Der Druckstoß kann ein Vielfaches des Betriebsdrucks des Rohrleitungssystems betragen, was zu einer möglichen Beschädigung des Rohrs, der an das Rohr angeschlossenen Geräte und in einigen Fällen zu einer Gefahr für Mensch und Umwelt führen kann. Dies gilt vor allem für elektrische oder pneumatische Ventile, die schnell schließen, wie z. B. ein Magnetventil.
Ursachen für Wasserschlag
Wie bereits erläutert, tritt ein Wasserschlag in einem Rohrleitungssystem auf, wenn Flüssigkeit gegen eine Wand läuft und die Kraft einen Druckstoß im Rohrnetz verursacht. Die häufigste Wand ist das schnelle Schließen eines Ventils. Anhand einiger gängiger Anwendungen können wir sehen, wie Wasserschläge in ihnen verursacht werden:
Anwendung für Wohnzwecke
Wenn in einem Haushalt ein Geschirrspüler oder eine Waschmaschine das Wasser abstellt, schließt sich ein Magnetventil schnell und kann einen Wasserschlag verursachen. Normalerweise verursacht es keine Schäden, aber man kann es hören.
Industrielle Prozesse
Ähnliche Vorgänge in industriellen Prozessen wie das schnelle Schließen eines Ventils hinter einer laufenden Pumpe können zu Wasserschlägen führen. Andere industrielle Prozesse umfassen:
- Plötzliches Anhalten einer dicht schließenden Pumpe: Wenn sich eine Wassersäule durch eine Pumpe (eine Verdrängerpumpe und keine rotodynamische Pumpe) bewegt, führt ein plötzliches Anhalten der Pumpe ohne allmähliches Abbremsen zu Wasserschlägen. In diesem Fall wirkt die Pumpe wie ein nachgeschaltetes Ventil, das plötzlich geschlossen wird.
- Zuschlagen eines Rückschlagventils: Beim Schließen eines Rückschlagventils kann ein Wasserschlag auftreten. Rückschlagventile können fast augenblicklich schließen, wenn die Druckdifferenz unter den Spezifikationen des Rückschlagventils liegt.
- Bei der Dampferzeugung: Beim Anfahren der Dampferzeugung führt die hohe Kondensationsrate zu einem flüssigen Kondensatstrom, der sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt. Wenn diese Flüssigkeit auf eine scharfe Biegung trifft, tritt das Phänomen des Wasserschlags auf.
- Stromaufwärts von einer laufenden Pumpe: Der umgekehrte Effekt tritt auf, wenn ein Ventil vor einer laufenden Pumpe plötzlich geschlossen wird, wodurch unmittelbar nach dem Ventil ein Unterdruck entsteht. Dieses Vakuum kann zur Implosion des Rohres führen.
- Erstes Füllen der Rohre: Eine andere Art von Wasserschlag tritt auf, wenn ein leeres Rohr mit hoher Geschwindigkeit mit Wasser gefüllt wird und die Luft durch ein kleines Loch entweicht. Wenn die Luft vollständig aus der Leitung entwichen ist, wird der Wasserfluss plötzlich unterbrochen, was zu einem Druckstoß führt.
Abbildung 2: Der Effekt des Wasserschlags: Ausgangszustand mit geschlossenem Ventil und stehendem Wasser (A), Normalbetrieb mit offenem Ventil und Wasserdurchfluss (B), Wasserschlag mit plötzlich geschlossenem Ventil (C). Der Wasserimpuls wird in Druckwellen umgewandelt, die sich im Rohr hin und her bewegen.
Auswirkungen von Wasserschlägen
Die grundlegendste Auswirkung von Wasserschlag ist das klopfende Geräusch und die Vibrationen, die entstehen, wenn die Welle in einem Rohrnetz hin und her springt. Die Vibrationen können zu geschwächten Rohrverbindungen und -anschlüssen, deformierten Rohren und geschwächten Stützen und Aufhängungen führen. Außerdem kann es zu Leckagen, Rohrschäden und Schäden an den an der Leitung angebrachten Geräten (Instrumente, Pumpen oder Druckmessgeräte) kommen. In seltenen, aber schweren Fällen kann es zu Unfällen und manchmal zu Todesfällen kommen.
Wie man Wasserschlag verhindert
Abbildung 3: A Messing Schrägsitzventil EPDM 10 bar Trinkwasser. Aufgrund des langsamen Schließmechanismus besteht bei diesem Ventil keine Gefahr von Wasserschlägen.
Bei der Planung und dem Bau von Rohrnetzen ist es wichtig, das Wasserschlagrisiko im Rohrsystem zu bewerten und Präventivmaßnahmen zu ergreifen. Sie sollten die Steuerung des Flüssigkeitsstroms sorgfältig prüfen. Mögliche Maßnahmen zur Abschwächung von Wasserschlägen sind:
- Vermeiden Sie schnell schließende Ventile: Manuelle Ventile sollten langsam geschlossen werden, insbesondere wenn die Pumpen noch laufen. Schnell schließende Magnetventile sollten vermieden werden, wenn keine anderen Abhilfemaßnahmen installiert sind. Für den Hausgebrauch eignen sich Schrägsitzventile oder manuelle Kugelhähne, die langsam geschlossen werden, hervorragend für den Einsatz in Trinkwassersystemen.
- Installieren Sie Ausdehnungsgefäße, Wassertürme, Druckausgleichsbehälter oder Hydraulikspeicher: Diese Systeme fangen Druckstöße ab, indem sie eine Ausdehnung der Flüssigkeit ermöglichen und Wasserschläge verhindern.
- Reduzieren Sie den Betriebsdruck: Häufig wird der Hauptversorgungsdruck im gesamten Rohrnetz nicht benötigt. Die lokale Drosselung des Drucks hilft, Wasserschläge zu vermeiden.
- Verlegen Sie Rohre mit hohen Druckstufen: Dies verhindert zwar keine Wasserschläge, schützt aber vor Beschädigung des Rohrs
- Arbeitsverfahren: Bei den Verfahren zum An- und Abfahren sollten die Auswirkungen von Wasserschlägen berücksichtigt werden.
- Installieren Sie Abblaseventile und Entlüftungsventile: Entlüftungsventile helfen, Unterdruckbereiche abzubauen, die die Beschleunigung der Flüssigkeit verhindern. Abblaseventile ermöglichen das Ablassen von Überdruck im Durchfluss.
Anwendungen des Wasserschlag-Effekts
Die Auswirkungen von Wasserschlägen haben in der Regel unerwünschte Folgen, aber sie können einige nützliche Anwendungen haben, wenn sie absichtlich simuliert werden. Ein hydraulischer Widder nutzt den Wasserschlag-Effekt, um Wasser zu pumpen, indem er eine Wasserdruckhöhe bei einer hohen Durchflussrate in eine höhere Druckhöhe bei einer niedrigen Durchflussrate umwandelt. Der Wasserschlag-Effekt kann auch Leckagen in einem Rohr aufspüren und eingeschlossene Lufteinschlüsse erkennen.
Schlussfolgerung
Wasserschläge können Leitungen und die daran angeschlossenen Geräte stark beschädigen. Der entstehende Lärm, die Vibrationen und der Druckstoß können das Wohlbefinden der Menschen stören und zu Unfällen führen. Sie wird durch das plötzliche Anhalten einer sich schnell bewegenden Flüssigkeit, wie z. B. Wasser, verursacht, typischerweise durch ein Ventil oder eine scharfe Rohrbiegung. Es gibt verschiedene Maßnahmen zur Verhinderung von Wasserschlägen, wie z. B. die Senkung des Betriebsdrucks, langsam schließende Ventile und Ausdehnungsgefäße. Das Prinzip des Wasserschlags kann auch in der Praxis Anwendung finden, z. B. beim Pumpen von Wasser, wie es beim Hydraulikzylinder der Fall ist.
